1   2   3
Ім'я файлу: Півень_75%.docx
Розширення: docx
Розмір: 98кб.
Дата: 04.05.2020
скачати
Пов'язані файли:
ТЗ_Гугл карта.docx
Семінар 1..doc
Документ Microsoft Word (2).docx
Презентация Microsoft PowerPoint.pptx
Краткое ТЗ.docx
2-курс-дисципліна-Процеси-та-апарати.docx
Самостійна робота 1..docx
Гіпотеза про двоїсту природу світла-корпускулярно-хвильовий дуалізм-вперше була висловлена А.Ейнштейном. Таким чином, численні дослідження світлових явищ показують неоднозначний прояв властивостей світла: в одних випадках вони свідчать на користь хвильової природи світла, в інших - його корпускулярна природа проявляється більш яскраво. Тому світлу притаманний корпускулярно-хвильовий дуалізм - він володіє як безперервними хвильовими властивостями, так і дискретними частинками. Взагалі корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий не тільки світлу, але і всім мікрочастинам. Таким чином, потік електронів, що падає на кристал, утворює дифракційну картину, яку можна пояснити тільки на основі хвильових уявлень. Квантові властивості світла. Фотонні електрони, які є елементарними частинками, корпускули розпізнають хвильові властивості за певних умов. Такі уявлення про матерію лежать в основі квантової теорії. Він припускає, зокрема, що кожна рухома мікрочастинка відповідає хвилі де Бройля λ=h/ p, де p-імпульс тіла, h –стала Планка[19].
Корпускулярна природа світла в сучасній фізиці відтворює концепцію світлового кванта, зміст якої було окреслено А. Ейнштейном поширюючи гіпотезу Планка на світлове випромінення. За його тлумаченням світловий квант - це мінімальна порція світлової енергії, локалізована в частинці, яка називається фотоном.Тому з точки зору квантової теорії світло-це потік фотонів,що рухаються зі швидкістю світла (c=3•108м/с).Фотон-це елементарна частинка, що характеризує квант світла h𝞶.Фотон як квант випромінювання, згідно з гіпотезою Планка, випромінюється з енергією ε = h𝞶.
 
1.5. Явище фотоефекту . Формула А. Ейнштейна.
Фотоефект — це явище взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною, в результаті якого енергія фотонів передається електронам речовини й останні переходять у новий енергетичний стан[18].
Цей феномен може проявлятися різними способами: як фото іонізації окремих атомів і молекул газу під дією світлового опромінення; як фотоелектронну емісію під дією електромагнітного випромінювання (зовнішній фотоефект); зміни в електричній провідності під дією світла (внутрішній фотоефект); в ініціюванні фотоядерних реакцій і т. д[17]. Вперше закономірності фотоефекту дослідив російський вчений Олександр Григорович Столєтов(1839-1896). У 1888 р. він створив установку, яка дала змогу добути електричний струм за допомогою зовнішнього фотоефекту (фотострум) і дослідити його залежність від інтенсивності та довжини хвилі випромінювання.
Установка для дослідження явища фотоефекту це скляний балон, з якого викачано повітря, уміщено два електроди. У балон на один з електродів крізь кварцове скло (прозоре не лише для видимого світла, а й для ультрафіолетового) надходить світло. На електроди подається напруга, яку можна змінювати за допомогою потенціометра й вимірювати вольтметром. Якщо освітлювати електрод, приєднаний до негативного полюса батареї, то з нього вириватимуться електрони, які, рухаючись в електричному полі, утворюватимуть струм. Фотострум, що виникає, вимірюють міліамперметром [18,17].
У результаті дослідів було встановлено три закони фотоефекту.
Кількість електронів, що вилітають з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, (а отже, і фотострум насичення) пропорційна його інтенсивності [18].
Перший закон фотоефекту легко пояснити з погляду хвильової природи світла: чим більше енергія хвилі, тим ефективніше її вплив. Наступні два закони фотоефекту не могли бути пояснені положеннями теорії світла. Виявилося, що: максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно залежить від частоти опромінення й не залежить від його інтенсивності [17].
Для кожної речовини, в залежності від стану температури і поверхні, існує мінімальна частота V0, при якій все ще можливий зовнішній фотоелектричний ефект. Мінімальна частота V0 (або максимальна довжина λ0) електромагнітного випромінювання, при якому відбувається фотоелектричний ефект, називається червоною межею фотоефекту. Термін "червона межа" підкреслює, що фотоелектричний ефект обмежений довгохвильовою частиною спектра. Тому не кожне випромінювання може викликати фотоефект. Світло, довжина хвилі якого перевищує червону межу λ0, не викликає фотоелектричного ефекту, незалежно від його інтенсивності. Експерименти з катодами з різних матеріалів показали, що червона межа фотоефекту різна для різних речовин і залежить від хімічної природи речовини і стану поверхні тіла. Червона межа фотоефекту визначається лише матеріалом освітлюваного катода й не залежить від його освітленості [17].
Другий і третій закони фотоелектричного ефекту не можуть бути пояснені на основі електромагнітної теорії світла. Згідно хвильової теорії, фотоелектричний ефект слід спостерігати на будь-якій частоті (довжині) світлової хвилі, так як енергія, яку електрон отримує під час свого гойдання електромагнітної хвилею, залежить від енергії хвилі і визначається вона амплітудою коливань, а не довжиною хвилі. Крім того, кінетична енергія вибитих електронів повинна залежати від освітлення поверхні, оскільки більше енергії буде передаватися електрону в міру збільшення освітлення.
У 1905 році Альберт Ейнштейн показав, що закони фотоефекту можна пояснити тільки квантовими уявленнями про природу світла. Пригадаємо, що електрон може вийти за межі тіла (наприклад, металу) тільки в тому випадку, якщо його кінетична енергія дорівнює або більше роботи виходу (АВИХ) з цієї речовини. Нехай монохроматичне випромінювання, що падає на метал, складається з фотонів, енергія яких hν. Електрони поблизу поверхні металу поглинають фотони, які проникають в метал і набувають їх енергію. У цьому випадку взаємодія випромінювання з речовиною складається з безлічі елементарних процесів, в яких кожен електрон повністю поглинає один квант енергії (фотон). Якщо значення енергії фотона більше за роботу виходу, то електрон може вилетіти з металу. Таким чином, енергія фотона, що поглинається в процесі зовнішнього фотоефекту, витрачається на виконання роботи виходу електрона з металу і надання йому кінетичної енергії. Математично це записують рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту: hν= АВИХ + EК[20].
Відкриття фотоелектричного ефекту мало велике значення для кращого розуміння природи світла. Практичне застосування фотоелектричного ефекту в першу чергу пов'язано з перетворенням світлової енергії в електричну. Це реалізується в сонячних панелях .
 
1.6. Основні фізичні величини світлових явищ.
Основні фізичні величинисвітлових явищ предст в таблиці 1.
Таблиця 1

 
1.7. Планетарна модель атома: досвід Резерфорда.
Дж. Томсон у 1903 р. запропонував одну з перших моделей будови атома. Він припустив, що атом має форму кулі, по всьому об’єму якої рівномірно розподілений позитивний заряд, а негативно заряджені електрони вкраплені в кулю, сумарний заряд електронів дорівнює заряду кулі, тому атом є електрично нейтральним [16].
Подальший прогрес у дослідженнях внутрішньої структури атома пов’язаний з ім’ям англійського фізика Ернеста Резерфорда (1871–1937). У дослідах, проведених під його керівництвом у 1908–1911 рр. вивчалося розсіювання α-частинок ядрами Ауруму [16].
У своїх експериментах Резерфорд пропускав пучок альфа-частинок через тонку золоту фольгу. Золото було обрано за його пластичність, що дозволило отримати дуже тонку фольгу товщиною майже в один шар молекул. За плівкою був прикріплений спеціальний екран, який був освітлений альфа-частинками, що потрапили на ного під час бомбардування. Згідно теорії Томсона, альфа-частинки з невеликим відхиленням мали вільно пройти через плівку. Однак виявилося, що деякі частинки не проходили крізь плівку, а відскакувала так, ніби вони в щось вдарилися.
Було встановлено, що в атомі є щось тверде і мале, що змусило альфа-частинки відскочити. Е. Резерфорд не міг бачити внутрішню структуру атома, тому він залучив логіку.
Якщо позитивний заряд і маса рівномірно розподілені по всьому об’єму атома (так вважав Дж. Томсон), то всі α-частинки повинні пролетіти крізь фольгу практично не відхиляючись
Якщо ж позитивний заряд і маса зосереджені всередині атома — в невеликому порівняно з атомом об’єкті, — то, зіштовхнувшись із ним, позитивно заряджена α-частинка може відскочити назад, а ті α-частинки, які пролітають близько до цього об’єкта, можуть відхилитися внаслідок електричного відштовхування. Очевидно, що результатам експерименту відповідає саме друге припущення. У 1911 р після дослідів із розсіяння α-частинок, Резерфорд запропонував планетарну (ядерну) модель будови атома: атом складається з позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджена мало не вся маса атома; біля ядра по певних орбітах обертаються електрони Як випливає з назви, атом порівнюють із планетою. У цьому випадку планету представляє собою ядро атома. А навколо ядра електрони обертаються на значній відстані, як і супутники, що обертаються навколо планети. Тільки швидкість обертання електронів у сто тисяч разів швидша за швидкість найшвидшого супутника. Тому, коли електрон обертається, він створює хмару над поверхнею ядра. І існуючі заряди електронів відштовхують ті ж заряди, що й інші електрони утворюють навколо інших ядр. Тому атоми не «злипаються» разом, а розташовані на деякій відстані один від одного[21].

ВИСНОВКИ
Природу світла почали вивчати ще з давніх часів. Перші уявлення про природу світла виникли у стародавніх греків і єгиптян. Більшість з них дотримувалося думки, що світло створюється в людині і випромінюється з їхніх очей. Деякі філософи розглядали в світло, як матеріальні промені, що сполучають тіло, яке світиться, та людське око. Вони вважали, що відкрите око випромінює "Флюїди" і вона відчуває, як би найтоншими щупальцями, об'єкти, які бачить. Але все змінилося коли в 17 столітті XVII ст. майже одночасно виникли дві різні теорії, які пояснювали природу світла, ґрунтуючись на законах механіки: корпускулярна теорія англійського фізика Ісаака Ньютона (1643–1727) і хвильова теорія голландського фізика Крістіана Гюйґенса. Саме після цих двох теорій вивчення природи світла стало розвиватись та вчені пришли до результатів, що згідно з сучасними уявленнями, світло має двоїсту корпускулярно-хвильову природу. В одних явищах світло виявляє властивості хвиль, а в інших - властивості частинок. Хвильові і квантові властивості доповнюють один одного. 
РОЗДІЛ 2. СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА.
2.1. Сонце гігантський термоядерний реактор .
Сонце - могутнє джерело енергії, яку воно постійно випромінює в усіх ділянках спектра електромагнітних хвиль - від рентгенівських і ультрафіолетових променів до радіохвиль. Це випромінювання впливає на всі тіла Сонячної системи: нагріває їх, позначається на атмосферах планет, дає світло й тепло, необхідні для життя на Землі [1].
Світло від Сонця до Землі доходить за 8 хвилин і 20 секунд. Маса Сонця становить 1,9891*1030 кг, що приблизно в 333 000 разів більше маси Землі і в 750 разів більше маси всіх інших планет разом узятих. Діаметр Сонця становить 1 мільйон 392 тисячі кілометрів (109 діаметрів Землі). Вимірювання поза земною атмосферою показали, що на площі 1 м2, перпендикулярній сонячним променям, щомиті подається 1,37 кВт енергії. Ця величина практично не змінюється протягом більш тривалого періоду часу, тому її і називають сонячною сталлю. Світність Сонця, або повна кількість енергії, випромінюваної Сонця у всіх напрямках за одиницю часу, визначають таким чином: величину сонячної постійної множать на площу сфери з радіусом r у астрономічних одиницх (1 а. о. = 149,6 × 109 м2): L = 4пr2 × 1370 Вт = 3,85*1026 Вт. Невелика сонячна енергія надходить на Землю, що становить приблизно півмільярда її частини [1,20].
З аналізу спектральних ліній відомо, що 71% маси Сонця становить водень, близько 27% - гелій і 2% займають інші елементи.
Якщо знати дані про радіус, масу, світність Сонця та використовуючи фізичні закони, то можна отримати дані про тиск, щільність, температуру, хімічний склад на різних відстанях від центру Сонця. З наближенням до центра Сонця температура, тиск і щільність збільшуються. Хімічний склад Сонця теж різний: вміст водню найнижче в середині.
Високий тиск у середині сонця обумовлений дією вище розміщених шарів. Гравітація має тенденцію стискати Сонце. Їй протидіють пружність гарячого газу і тиск випромінювання, що йде з-під надр. Ці сили намагаються розширити Сонце. Гравітація з одного боку або пружність газів і радіаційний тиск з іншого врівноважують один одного.
За вимірюванями випромінення і розрахунками моделі випливає, що температура в центрі Сонця досягає 15 мільйонів градусів. У цій частині генерується енергія Сонця.
Сонячна речовина складається в основному з водню. При високих тисках і температурах протони (ядра Водню) рухаються зі швидкістю сотень кілометрів в секунду. У центрі Сонця, на відстані до 0,3 радіуса від центру знаходяться сприятливі умови для термоядерних реакцій перетворення атомів хімічних елементів в більш важкі атоми. З ядр Водню утворюється ядра Гелію, для утворення ядра Гелію потрібно 4 ядра Водню [20].
На проміжних стадіях утворюються ядра дейтерію і ядра тритію. Під час реакції невелика кількість маси реагуючих ядер Водню втрачається і перетворюється на величезну кількість енергії, яка підтримує випромінювання Сонця. Через шари, що оточують центральну частину з Сонця, ця енергія передається назовні. В межах 0,3-0,7 радіуса від центру Сонця знаходиться зона променистої рівноваги енергії, де енергія розподіляється за рахунок поглинання і випромінювання гамма-квантів.
Можемо прийти до висновків що Сонце - це гігантський природній термоядерний реактор в якому відбуваються реакції між атомами водню та тритію:
1H2+1T1->1He4+19,8МеВ (1) 1D2+1T2->2He+0n1+17,6МеВ (2)
В першій реакції (1) взаємодіють атоми водню та тритію і утворюються атоми гелію та виділяється досить значна енергія в кожному акті синтезу цих ядер. Дефект маси реакції:
∆m=(∆m_H+m_T )-m_HE=(1,007825+3,016049)-4,002603=0,021271 а.о.м. Він є позитивним тому реакція екзотермічна, тобто відбувається виділення енергії в кількості ∆E=∆mс2=19,8 МеВ. У реакції (2) взаємодіють дейтерій і тритій та утворюється також атом гелію. При цьому виділяється енергія∆E=17,6 МеВ. Щосекунди на Сонці з 564 млн тон водню утворюється 560 млн тон атомів гелію. Дефект мас становить 4млн тон і утворюється енергія частина якої надходить до земної поверхні і яка може бути перетворена в електричну.За рік на поверхню Землі потрапляє 1,8*1017 кВт*год сонячної енергії. Ця величина в 104 разів перевищує сучасні світові потреби в енергії[4].

2.2. Спектри сонячного випромінювання.
Майже всі знання про Сонце засновані на вивченні його спектру. Хімічні елементи, присутні в атмосфері Сонця, поглинають світло певної частоти з безперервного спектру, що випускається фотосферою. У результаті в безперервному спектрі з'являються темні лінії. Йозеф Фраунгофер був першим, хто описав темні лінії на тлі безперервного спектру в 1814 році. Він вивчив і намалював 576 темних ліній сонячного спектра. Вчений правильно вказав, що джерелом темних спектральних ліній є сонячна атмосфера. За положенням у спектрі (тобто. довжини хвиль) і інтенсивність цих ліній, ви можете визначити, які хімічні елементи присутні в атмосфері Сонця. Ці лінії в спектрі Сонця утворюються в результаті поглинання квантів світла в більш холодних шарах атмосфери Сонця[20].
Сонячна радіація -це енергія, що випромінюється сонцем. Потік цієї енергії являє собою електромагнітні хвилі різної довжини. Діапазон хвиль, що досягають поверхні Землі, досить широкий: від радіохвиль до рентгенівських променів. "Радіацією" прийнято називати весь спектр сонячного випромінювання [9].
Випромінювання Сонця у навколишній простір характеризується широким спектром, що наближено відповідає енергетичному спектру абсолютно чорного тіла за температури близько 58000 К. Лише в ультрафіолетовій частині спектра випромінювання Сонця менше, ніж у спектрі абсолютно чорного тіла.
Весь спектр випромінювання Сонця дуже широкий і його за довжиною хвиль поділяють на ряд ділянок. Випромінювання з довжиною хвилі 105 мкм – це гамма-промені, з довжиною хвилі від 105 до 102 мкм - це рентгенівське випромінювання. Теплове випромінювання:
-від 0,01 до 0,39 мкм – ультрафіолетова радіація;
-від 0,39 до 0,76 мкм – видиме випромінювання, що створює освітлення;
-від 0,76 до 3000 мкм – інфрачервона радіація[11].
Випромінювання з довжиною хвилі більше 0,3 см також не є тепловим випромінюванням-це радіохвилі.
Існує також близька ультрафіолетова радіація (0,29-0,39 мкм) і близька інфрачервона радіація (0,76-2,4 мкм). В інтервалах довжин хвиль від 0,1 до 4 мкм знаходиться 99% всієї сонячної радіації. Тільки 1% енергії залишається на радіацію з меншими і довшими хвилями. Тому сонячну радіацію умовно називають короткохвильовою радіацією. Максимальне сонячне випромінювання спостерігається на довжині хвилі 0,4738 мкм. Кількість енергії, що випромінюється Сонцем в різних частинах спектра, змінюється в широких межах (табл .2)
Таблиця 2. Частка різних ділянок спектра сонячної радіації, %
Ділянка спектру На верхній межі атмосфери Поблизу земної поверхні залежно від висоти Сонця
900 300 50
Ультрафіолетова 9,0 4,2 2,7 0,1
Видиме світло 47,0 45,8 44,8 30,3
Інфрачервона 44,0 50,0 52,5 69,6
[15]
Близько 7% енергії сонячного випромінювання припадає на ультрафіолетову частину спектра (тут більшість Фраунгоферових ліній, за рахунок чого послаблюється потік ультрафіолетового випромінювання), 48%-на видиму, 45% - на інфрачервону.
В атмосфері спостерігаються три типи потоків сонячної радіації: прямі, розсіяні і відбиті. Радіація, що надходить на землю безпосередньо від сонячного диска у вигляді пучка паралельних променів, називається прямою радіацією (S'). Інтенсивність прямого випромінювання залежить від висоти сонця і прозорості атмосфери і збільшується з висотою місця над рівнем моря.
Частина сонячної радіації, що проходить через атмосферу, розсіюється молекулами атмосферних газів і аерозолем. Вона створює розсіяну радіацію (D).
Пряма радіація(S'), що надходить на горизонтальну поверхню, і розсіяна радіація, діючи спільно, утворюють сумарну радіацію Q = S ' + D.
Співвідношення між прямою і розсіяною радіацією в складі сумарної радіації залежить від висоти Сонця, хмарного покриву і забруднення атмосфери. Загальне випромінювання, що досягає поверхні землі, частково відбивається від неї і повертається в атмосферу у вигляді відбитої радіації (R). Відношення відбитої частини R до загальної радіації (Q), що надходить на поверхню Землі, називається відбивною здатністю, або альбедо (А) цієї поверхні: A = R / Q[6].
Сонячна радіація, що досягає поверхні Землі, частково відбивається від неї, частково поглинається Землею, тому вона називається поглиненою радіацією (C) (тобто це різниця між сумарною і відбитою радіацією). Вона може бути виражениа наступними рівняннями C=Q-R або C=Q(1-A).
 
2.3. Основні характеристики світла Сонця.
Освітлення, або світло, характеризується кількісними та якісними показниками, при цьому застосовують стандартні одиниці та терміни.
Кількісні показники освітлення визначають світловий потік, силу світла, освітленість та яскравість.
Світловий потік (Ф) - потік променевої енергії, що сприймається органами зору як світло, тобто характеризує потужність променевої енергії [6].
Світловий потік - фізична величина, що чисельно дорівнює енергії світлового потоку, який проходить через деяку поверхню за одиницю часу. Одиниця вимірювання- Люмен: [Ф]=1лм
Ф=W/t,
де Ф- світловий потік, W-світлова енергія, t-час [15].
Сила світла (I). Одиниця виміру: кандела [кд]. Джерело світла випромінює світловий потік Ф в різних напрямках з різною інтенсивністю. Інтенсивність випромінюваного в певному напрямку світла називається силою світла I
I=Ф/ω=Ф/4π ,
де I-сила світла, Ф- світловий потік,ω-тілесний кут[6].
Освітленість(Е). Одиниця виміру: люкс [лк]. Освітленість Е відображає співвідношення падаючого світлового потоку до освітлюваної площі. Освітленість дорівнює 1 Лк, якщо світловий потік 1 лм рівномірно розподіляється по площі 1м2
E=Ф/S,
де Е- освітленість, Ф- світловий потік, S-площа поверхні на яку падає світловий потік[4,15].
Яскравість (L). Одиниця виміру: кандела на квадратний метр [кд / м2]. Яскравість - відношення сили світла будь-якого напрямку до площі проекції світлової поверхні, перпендикулярної до цього напрямку. Середнє значення величини яскравості рівномірної світлової поверхні
L=I/Scosα,
де L – яскравість, Scosα-- площа проекції світлової поверхні [15,5].
Світлова віддача (η). Одиниця виміру: люмен на Ватт. Світлова віддача (η) показує з якою економічністю споживана електрична потужність перетвориться в світло
η=Ф/N
де η – світлова віддача , Ф- світловий потік, N- потужність.
 
2.4. Методи перетворення і використання сонячної енергії.
Ми вже знаємо, що енергія, отримана від сонця, повинна бути перетворена в іншу форму. Необхідність в цьому виникає, оскільки у людства досі немає таких пристроїв, які могли б споживати сонячну енергію в чистому вигляді. Таким чином, були розроблені перетворювачі сонячної енергії, такі як сонячні колектори та сонячні панелі. Якщо перший використовується для генерації тепла, інший безпосередньо генерує електрику.
Існує кілька способів перетворення енергії сонця:
Фотовольтаїка;
Термоповітряна енергетика;
Геліотермальна енергетика;
З використанням сонячних аеростатних електростанцій[14].
Найбільш поширеним методом є фотовольтаїка. Принцип цього перетворення полягає у використанні фотоелектричних сонячних панелей, або, як їх ще називають, сонячних панелей, за допомогою яких відбувається перетворення сонячної енергії в електричну. Як правило, такі пластини виготовляються з кремнію, а товщина їх робочої поверхні становить всього кілька десятих міліметра. Розмістити їх можна де завгодно, є тільки одна умова-наявність великої кількості сонячного світла.
Гарний варіант для установки фотопластинок-дахи житлових і громадських будівель.
Окрім розглянутих фотопластин для перетворення енергії сонячного випромінювання використовують тонкоплівкові панелі. Вони відрізняються ще меншою товщиною, тому іх можете встановити будь-якому місці, але істотним недоліком таких панелей є низька ефективність. З цієї причини установка буде виправдана тільки в тому випадку, якщо є великі площі для розміщення. Для експериментів тонкоплівкова пластина може бути навіть поміщена на корпус ноутбука.
У термоповітряній енергетиці сонячна енергія перетворюється в енергію повітряного потоку, яка потім направляється до турбогенератора. Але в разі використання сонячних повітряних куль в повітряній кулі утворюється водяна пара. Цей ефект досягається нагріванням поверхні повітряної кулі сонячним світлом, на яке вибірково наноситься селективно-поглинаюче покриття[3]. Основною перевагою цього методу є достатня подача пари, якої вистачає для продовження роботи електростанції в погану погоду і вночі.
Принцип геліотермальної енергетики полягає в нагріванні поверхні, яка поглинає і фокусує сонячні промені, щоб продовжувати використовувати отриманого тепла. Найпростішим прикладом є нагрівання води, яку потім можна використовувати для домашнього господарства, наприклад, для подачі теплої води до батарей, заощаджуючи газ або інше паливо. У промислових масштабах енергія сонячного випромінювання, отримана цим методом, перетворюється в електричну енергію за допомогою теплових машин[18].
Сонячні аеростатні електростанції можуть стати одним з можливих нових напрямків, які забезпечують більш ефективне використання сонячної енергії. Основний елемент сонячних аеростатів-повітряна куля-може бути розміщена на кілька кілометрів над поверхнею землі, над хмарами, що забезпечує безперервне використання сонячної енергії протягом дня. Концепція сонячної аеростатної електростанції з паровою турбіною полягає в поглинанні сонячного випромінювання з поверхні повітряної кулі і нагріванні водяною парою всередині. В цьому випадку оболонка повітряної кулі складається з двох шарів. Сонячні промені, проходячи через зовнішній прозорий шар, нагрівають внутрішній шар оболонки з покриттям, що поглинає сонячне випромінювання. Водяна пара, що знаходиться всередині оболонки, нагрівається за рахунок теплового потоку, який зменшує вхід через оболонку, до 100-150°C. Прошарок газу (повітря) між шарами виступає в якості теплоізоляції, зменшує втрати тепла в атмосферу. Тиск пари майже дорівнює тиску зовнішнього повітря. Водяна пара подається в парову турбіну з основного парового трубопроводу, а потім конденсується в конденсаторі. Вода з конденсатора перекачується назад у внутрішню частину оболонки, де вона випаровується при контакті з перегрітою водяною парою. Ефективність такої установки може становити 25%, а завдяки запасу водяної пари всередині повітряної кулі установка може працювати вночі. Якщо повітряна куля розташована на висоті 150 м в діаметрі і на висоті 5 км, то установка може мати потужність 2 МВт [3,19].
 
2.5. Сонячні фотоелектричні батареї їх характеристики.
Вчені навчилися перетворювати сонячну енергію в електричну за допомогою сонячних батарей. Сонячна батарея складається з'єднаних послідовно і паралельно фотоелементів. Кожен з цих елементів являє собою фотодіод великої площі, структура якого оптимізована для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію. Принцип роботи фотоелектричних елементів заснований на фотогальванічному ефекті. Цей ефект був відкритий Беккерелем в 1839 році. Пізніше роботи Ейнштейна в галузі фотоефекту дозволили йому пояснити це явище, за що він був удостоєний Нобелівської премії в 1905 році. Дослідження Беккереля показали, що енергія сонця може бути перетворена в електрику за допомогою напівпровідників.
Фотоелементи на основі напівпровідників складаються з двох шарів з різною провідністю. До кожного з них приєднують контакти, які використовуються для підключення до зовнішнього кола. Роль катода грає шар з n-провідністю (електронної провідністі), а роль анода-p-шар (діркова провідність). Струм в n-шарі генерує рух електронів, які при попаданні світла через фотоефект починають рухатися. Відповідно, струм в р-шарі генерується рухом дірок. На перетині шарів з провідністю n і p створюється перехід n-p. Утворюється свого роду діод, який генерує різницю потенціалів, за рахунок потрапляння на нього променів світла[4].
Перші сонячні батареї з'явилися в США в 1954 році. ККД цих батарей становив всього 4%. Розвиток технології виробництва сонячних модулів сприяли потребі космічної галузі. З 1958 року сонячні панелі стали активно використовуватися НАСА для установки на супутниках, космічних обсерваторіях, станціях.
Фотоелементи можна розділити на три типи: монокристалічні, полікристалічні і аморфні, які мають різну технологію виготовлення.
Кремній найбільш часто використовується в сонячних батареях. Найбільшу квантову ефективність (від 17% до 22%) мають елементи на основі монокристалічних кремнієвих пластин, але вони коштують дорого.
Пластини з полікристалічного кремнію коштують дешевше, але їх ККД становить 12-18%. Ще дешевше буде використання аморфних кремнієвих сонячних елементів з ККД близько 9,5%. Наприклад, ККД фотоелектричних перетворювачів на основі GaInP / GaAs / Ge-32%. Важливими параметрами, що використовуються для характеристики сонячного елемента(СЕ), є струм короткого замикання, напруга холостого ходу, коефіцієнт заповнення і ККД.
Струм короткого замикання - це струм, що протікає через СЕ, коли напруга дорівнює нулю (тобто коли сонячний елемент замкнутий накоротко).
Напруга холостого ходу - це максимальне напруження, створюване СЕ, що виникає при нульовому струмі
Коефіцієнт заповнення- це параметр, який в поєднанні з напругою холостого ходу і струмом короткого замикання визначає максимальну потужність СЕ.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) є найпоширенішим параметром, за яким можна порівняти продуктивність двох СЕ.
 
2.6. Експериментальне визначення характеристик досліджуваних сонячних батарей.
Важливими параметрами, які використовуються для характеристики сонячного елемента(СЕ), є струм короткого замикання, напруга холостого ходу, коефіцієнт заповнення і коефіцієнт корисної дії. Ці параметри можна розрахувати з вольт-амперної характеристики СЕ.
У загальному випадку вольт-амперна характеристика (ВАХ) - це залежність струму, що протікає через електричне коло, від напруги джерела. Для сонячної батареї ця характеристика розглядається при наявності додаткових умов, які у світовій практиці були стандартизовані і застосовуються зараз при проектуванні всіх подібних систем у всьому світі. Згідно з цими стандартами ВАХ сонячних елементів визначається при потужності випромінювання сонця рівної 1000 ват на один квадратний метр. При цьому температура елементів має дорівнювати +25° С, а вимірювання повинні проводитися на широті 45°.
В НПУ імені М.П. Драгоманова, в науково-дослідній лабораторії «Спеціальний фізичний практикум для магістрів» створена лабораторна установка для дослідження роботи сонячних елементів. Лабораторна установка для дослідження роботи СЕ наведена на (рис.1.) Установка складається з люксметра -1, кутоміра -2, сонячного елемента -3, магазину опорів -4, аналогово-цифрового перетворювача -5, світлодіода -6. Для дослідження основних робочих параметрів сонячних елементів і батарей використовується електрична схема, наведена на (рис. 2.) Електрична схема складається з 1-сонячного елемента, 2-світлодіода, 3-вольтметра, 4-амперметра, 5-магазину опорів. Конструкція і точки під’єднання панелі сонячного елементу згідно електричної схеми.

Для визначення робочих параметрів сонячного елемента на графіку показана крива, що характеризує потужність досліджуваного фотоелектричного елемента. Цей графік є функцією потужності сонячного елемента в залежності від навантаження. З графіка випливає, що номінальна потужність того чи іншого елемента визначена як максимально можлива потужність при стандартних вихідних параметрах.
Струм короткого замикання (I_КЗ)- це струм, що протікає через СЕ, коли напруга дорівнює нулю.
Струм короткого замикання виникає в результаті генерації і розподілу згенерованих світлом носіїв. В ідеальному СЕ за умови помірних резистивних втрат струм короткого замикання дорівнює світловому току. Тому струм короткого замикання можна вважати максимальним струмом, який здатний створити СЕ. Струм короткого замикання залежить від ряду параметрів, описаних нижче:
- площі СЕ;
- числа фотонів (тобто потужність падаючого випромінювання);
- спектра падаючого випромінювання;
- оптичних властивостей (поглинання і відображення) СЕ [12].
Згідно отриманих даних струм короткого замикання складає 0,90mA.
Напруга холостого ходу (U_XX)- це максимальна напруга, створювана СЕ, що виникає при нульовому струмі. Напруга холостого ходу дорівнює прямому зсуву відповідної до зміни напруги p-n переходу при появі світлового струму. U_XX визначається висотою потенціального бар‘єру в p-n переході і буде тим більша, чим більша ширина забороненої зони напівпровідника. Зазвичай світловий струм змінюється незначно, тому основний вплив на напругу холостого ходу надає струм насичення, який може змінюватися на порядок і залежить від швидкості рекомбінації носіїв заряду в СЕ. Згідно отриманої ВАХ , напруга холостого ходу СЕ склала 2,68В.
Струм короткого замикання і напруга холостого ходу - це максимальні струм і напруга, які можна отримати від СЕ. Однак потужність СЕ в обох цих точках дорівнює нулю. Коефіцієнт заповнення (FF) - це параметр, який в поєднанні з напругою холостого ходу і струмом короткого замикання визначає максимальну потужність СЕ. Коефіцієнт заповнення визначається, як відношення максимальної потужності СЕ до напруги холостого ходу і струму короткого замикання. Графічно коефіцієнт заповнення являє собою міру квадратичності СЕ і дорівнює максимальній площі прямокутника, який можна вписати в вольт-амперну криву
FF=(U_MP I_MP)/(U_XX I_КЗ ) ,
〖де U〗_MP- напруга в точці максимальної потужності;
I_MP- струм в точці максимальної потужності;
U_XX- напруга холостого ходу;
I_КЗ- струм короткого замикання[13].
Цей показник є одним із найголовніших параметрів, за допомоги якого можна вирішувати про якість та надійність фотоелектричного модуля. Адже чим більше коефіцієнт заповнення (FF), тим менше втрати потужності в сонячному елементі через внутрішній опір. Якісні сонячні елементи мають коефіцієнт заповнення досліджуваного СЕ > 0,70. Згідно розрахунків коефіцієнт заповнення складає 0,66.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) є найпоширенішим параметром, за яким можна порівняти продуктивність двох СЕ. ККД визначається як відношення потужності, що виробляє СЕ, до потужності падаючого сонячного випромінювання. Крім власне продуктивності СЕ ККД також залежить від:
- спектру та інтенсивності падаючого сонячного випромінювання;
- кута нахилу панелі відповідно до вектора нахилу падіння світла (≈ 90°±15 °);
- погодних умов (день чи ніч, зима чи літо, ясно чи похмуро);
- температури;
- відсутності тіні;
- стану поверхні панелі [12].
У сучасних сонячних панелях ККД є в інтервалі від 12 до 25%. Порахувати коефіцієнт корисної дії можна за допомоги формули:
η=(U_XX I_КЗ FF)/P_ПВ 100%,
〖де P〗_(ПВ-) потужність падаючого випромінювання;
U_XX - напруга холостого ходу;
〖 I〗_КЗ - струм короткого замикання;
FF - Коефіцієнт заповнення.
P_пв – потужність падаючого випромінювання визначається за формулою:
P_пв = Е*S, Вт,
де S- сумарна площа поверхні сонячних елементів
Е [Вт/м2] - інтенсивність падаючого світла – сумарна (пряма плюс розсіяна) сонячна радіація, яка вимірюється за допомогою спеціального приладу – піранометра.
 
2.7. Сьогоденний стан сонячної енергетики в Україні. Прогнозування на майбутнє.
Стверджують, що використання альтернативних джерел енергії в Україні, насамперед сонячної енергії, безсумнівно, принесе користь. Середньорічний потенціал сонячної енергії в Україні (1235 кВт*год / м) досить високий і набагато вищий, ніж, наприклад, у Німеччина (1000 кВт-год/м) або навіть у Польщі (1080 кВт-год / м). Таким чином, у нас є ГАРНІ шанси ДЛЯ ефективного використання теплоенергетичного обладнання на території України. Термін "ефективне використання" означає, що геліоустановка може працювати з прибутковістю 50% і більше, це 9 місяців в південних регіонах України (з березня по листопад) і 7 місяців - в північних регіонах (з квітня по жовтень). Взимку ефективність роботи знижується, але вона не зникає[3].
Тому і в нашому кліматі сонячні системи працюють цілий рік, хоча і зі змінною ефективністю. Тому варто розглянути весь річний потенціал сонячної енергії на території України. Згідно з використанням сонячної радіації для отримання енергії, технічно допустимий потенціал сонячної енергії з дахів житлових будівель в Україні сьогодні становить 26-37 ТВт/рік, що в грошовому вираженні (при поточній вартості 0,05 євро за 1 кВт - год): 1,3-1,8 млрд.євро на рік. Основним технічним елементом Сонячної системи є сонячні панелі, які перетворюють енергію сонячних променів в тепло або електрику[14].
Потужність таких сонячних панелей становить 70-100 Вт для 1 м2 площі колектора. Електрика, отримана таким чином, як і раніше досить дорога, але використання фотоелектричних колекторів дозволяє зробити енергопостачання будівлі автономним.
Якщо вважати, що ціна сонячної батареї 7000-13 000 грн, вартість геліосистеми (в умовах території України) становить від 10 до 18 грн за нагрітий літр води на добу, то при наявності 100 літрів гарячої води на добу Сонячна система буде коштувати 1000-1800 грн. Щоб забезпечити гарячу воду для сім'ї з трьох-чотирьох чоловік, досить встановити два-три сонячних колектора. Термін окупності установки становить близько 7-8 років з урахуванням поточних цін на енергоносії. А термін служби-30-50 років[19,11].
Пілотні проекти, реалізовані в останні роки, показали, що річне виробництво теплової енергії в Україні становить 500-600 кВт-год / м2. З урахуванням загальноприйнятого на Заході потенціалу використання сонячних колекторів для розвинених країн, який становить 1 м2 на людину, а також ефективності сонячних установок для умов України, річні ресурси сонячної гарячої води та опалення можуть становити 28 кВт-год/м2 теплової енергії. Реалізація цього потенціалу дозволить заощадити 3,4 мільйона тон звичайного палива на рік[2].
В Україні річне споживання сонячного випромінювання на такому ж рівні, як у країнах, які активно використовують сонячні колектори (Швеція, Німеччина, США тощо). Вся територія України придатна для розробки систем теплопостачання з використанням сонячної енергії. Найбільш перспективними регіонами для розвитку сонячної енергії є Кримський півострів і Степова Україна.У 2010 році Україна не мала жодної великої сонячної електростанції, в 2011 році країна мала вже 67.55 МВт акумуляторів. За короткий час Україні вдалося зробити стрибок і вийти на вершину розвитку фотовольтаїки.
В Україні найбільш перспективні галузі використання сонячної енергії сьогодні полягають у наступному:
* пряме перетворення в низькопотенційну теплову енергію без попередньої концентрації потоку сонячного випромінювання (для систем гарячого водопостачання, комунального та технологічного опалення, сільськогосподарських потреб) з ККД 45-60%, а для концентраторів-80-85%;
* пряме перетворення в постійний струм за допомогою фотоперетворювачів (фотомодулів) із середнім ККД 10-15%, хоча є багатообіцяючі розробки з ККД близько 30%.
Оптимально підібране обладнання скорочує річне використання енергії для нагріву води на 50-60%, а енергії від мережі-на 50-70%. У період з квітня по вересень правильно встановлена система покриває 95% витрат на тепло і енергію.
Беручи до уваги все вищесказане, можна зробити висновок, що доцільно будувати СЕС в Україні з різними потужностями. Зокрема, в якості автономного джерела електроенергії для житлових будинків або малого бізнесу, а також каскаду електростанцій для виробництва електроенергії в регіонах Кримського півострова, Південної та Центральної України.
ВИСНОВКИ
Сонячна радіація є практично невичерпним джерелом енергії, вона досягає всіх куточків Землі, знаходиться "під рукою" у кожного споживача і є екологічно чистим доступним джерелом енергії. Недоліком сонячної радіації як джерела енергії є нерівномірність її надходження на поверхню Землі, яка визначається добою і сезонною циклічністю, а також погодними умовами. Тому важливою проблема є зберігання електроенергії, що виробляється сонячними системами. В даний час ця проблема в основному вирішується за допомогою звичайних хімічних акумуляторних батарей.
 
РОЗДІЛ 3. ВИКОРИСТАННЯ МАТЕРІАЛІВ МАГІСТЕРСЬКОГО ДОСЛІДЖЕННЯ В НАВЧАЛЬНОМУ ПРОЦЕСІ ЗНЗ ТА ВНЗ.
3.1 Позашкільні заходи, гурткова робота з фізики і техніки, позаурочні заняття теми для дослідження в систем МАН.
ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКУ
Тема: Альтернативні джерела енергії. Сонячна енергія.
Мета: навчальна: розширити знання учнів про способи створення і перетворення електричної енергії; розкрити питання енергозбереження і використання альтернативних джерел енергії.
розвиваюча: розвивати пізнавальні інтереси учнів, сприяти розширенню їх політехнічного кругозору.
виховна: формувати в учнів екологічну свідомість; цінувати і раціонально використовувати природні ресурси, формувати навички економного використання електроенергії; свідомо розуміти, що захист природи – захист власного здоров´я .
Тип уроку: Урок засвоєння нових знань .
Час Зміст Хід уроку Принципи навчання Методи навчання
5хв Організаційна частина 1.1Вітання.Перевірка класу до уроку.
Вчитель повідомляє про початок уроку , каже тему та мету даного зайняття.
1.2Вчитель робить вступне слово та розповідає про те що природні ресурси на яких побудовані наші енергетичні затрати не є безмежними і одного дня їх може не стати .Також розповідає про те що наука не стоїть на місці та є шляхи вирішення цих проблем і ці шляхи оточують нас кожний день. 1.1Принцип свідомого засвоєння знань (пояснюється мотив вивчення теми)
1.2 Принцип зв'язку навчання з життям 1.1 Бесіда
1.2 Розповідь
5хв Актуалізація опорних знань 2.Вчитель у вільній формі спілкується з учнями та запитує які види енергії їм відомо, що відомо про Альтернативні види енергії та які види альтернативних джерел енергії учні знають. 2.Принцип поєднання індивідуального підходу і колективізм 2.Розповідь.
Опитування
30хв Вивчення нового матеріалу 3.1 Учням за допомогою презентації розповідають про те що природні джерела енергії не є безмежними і всьому приходить кінець. Але є вихід з цього становища. Це енергія сонця, вітру та води. Вказуються переваги та недоліки даного методу.
3.2 Розповідається про сонячну енергію та як її можна перетворити в електричну енергію. На слайдах презентації вказуються прилади для перетворення енергії. Та їх використання у повсягденному житті. Вказуються перевааги та недоліки даного методу

3.1Принцип зв'язку навчання з життям.
Принцип науковості.
3.2Принцип зв'язку навчання з життям.
Принцип науковості.
3.Пояснення .
Ілюстрації.
5хв Закріплення вивченого матеріалу 4.Вчитель проводить опитування учні про вивчений матеріал 4 Принцип міцності знань. Опитування.

1.Організаційна частина
Вступне слово вчителя.
Кожний день на Землі споживається дуже велика кількість енергії. Людству потрібна енергія, причому потреби в ній збільшуються з кожним роком. Разом з тим запаси традиційних природних палив (нафти, вугілля, газу і інші) є обмеженими. Адже світових запасів нафти та газу вистачить на більше, як на півстоліття, а вугіллям ми покористуємося близько 3-х століть. Тому людство цікавлять альтернативні джерела енергії. Величезними джерелами енергії є щедрі промені Сонця, повітряний океан, підземне тепло магматичних шарів Землі. Навіть Місяць «працює» на людину. Дійсно, енергія – навколо нас. Треба зуміти її взяти.
Перед наукою і технікою поставлені великі задачі – використання нових джерел енергії, якими так багата природа. Наука, яка ніколи не стояла на місці, знайшла інші джерела енергії як-то вітер, сонце, воду і навіть солому. Виявилось, що світ не зійшовся лише на всемогутньому атомі. І тому, зараз, деякі країни намагаються якнайшвидше впровадити нові, альтернативні, екологічно чисті технології.
До альтернативних, нетрадиційних джерел енергії сьогодні відносять: сонячне випромінювання, енергію вітру, біомасу, гідроенергію малих рік, теплову енергію довкілля, енергію морських хвиль, термальних вод, а також теплові скиди промисловості, які, до речі є досить перспективними для ефективного використання на території України[3].
2.Актуалізація опорних знань
2.1.Перелічіть основні види енергії?(механічна, теплова, ядерна, хімічна, електромагнітна)
2.2.Джерела електромагнітної енергії –це... (електричні генератори, ГЕС, ТЕС, АЕС)
2.3.Який ресурс зараз у світі найбільше використовується для отримання електричної енергії? (Нафта)
2.4.До появи яких джерел електричної енергії стимулювало невідновність і обмеженість нафти, газу та вугілля? (Альтернативних)


3.Вивчення нового матеріалу
Сьогодні людство витрачає дуже багато електроенергії. При використанні таких джерел, як вугілля, нафта, сланці, торф, навколишнє середовище настільки забруднюється, що це викликає серйозне занепокоєння вчених усього світу. Зниження рівня споживання енергії – це один з дієвих способів поліпшити ситуацію. Ще більш ефективним способом охорони навколишнього середовища є зменшення використання невідновних джерел енергії і збільшення частки використання відновлюваних джерел енергії. Використовуючи відновлювальні джерела енергії, ми в такий спосіб запобігаємо потраплянню шкідливих викидів в атмосферу.
Первинні ресурси (джерела енергії) поділяються на невідновні й відновлювальні, і, відповідно, види енергії можуть бути невідновні й відновлювальні.
Невідновні джерела енергії – це ті запаси речовин, що природно утворилися й накопичені в надрах планети, а отже, здатні за певних умов звільняти накопичену енергію. До таких джерел енергії можна віднести викопне органічне паливо: вугілля, нафту, природний газ, торф, пальні сланці, ядерне пальне. Органічне паливо утворюється переважно з рослинної маси. Мільйони років у надрах Землі продовжувався процес розкладання решток рослин і тварин, що колись використовували сонячну енергію. Швидкість, з якою люди витрачають невідновні джерела енергії, у багато разів перевищує швидкість їх утворення. Тому основним недоліком невідновних джерел енергії є те, що рано чи пізно вони будуть вичерпані. Другий істотний недолік невідновних джерел енергії полягає в тому, що під час їх використання завдається значна шкода навколишньому середовищу[3].
Причини використання невідновних джерел енергії можуть бути різні:
• Економічні(прагнення швидко дістати прибуток);
• Психологічні(небажання змінити звичний спосіб життя);
• Політичні.
ЕНЕРГІЯ СОНЦЯ.
Багато мільйонів років Сонце випромінює на Землю свої промені. Разом із ними йде потужний потік енергії. За рік на поверхню Землі потрапляє 1,81017кВтгод сонячної енергії. Ця величина в 104 перевищує сучасні світові потреби в енергії. Існує кілька способів перетворення енергії сонця:
Фотовольтаїка;
Термоповітряна енергетика;
Геліотермальна енергетика;
З використанням сонячних аеростатних електростанцій[14].
Найбільш поширеним методом є фотовольтаїка. Принцип цього перетворення полягає у використанні фотоелектричних сонячних панелей, або, як їх ще називають, сонячних панелей, за допомогою яких відбувається перетворення сонячної енергії в електричну. Як правило, такі пластини виготовляються з кремнію, а товщина їх робочої поверхні становить всього кілька десятих міліметра. Розмістити їх можна де завгодно, є тільки одна умова-наявність великої кількості сонячного світла.
Гарний варіант для установки фотопластинок-дахи житлових і громадських будівель.Окрім розглянутих фотопластин для перетворення енергії сонячного випромінювання використовують тонкоплівкові панелі. Вони відрізняються ще меншою товщиною, тому іх можете встановити будь-якому місці, але істотним недоліком таких панелей є низька ефективність. З цієї причини установка буде виправдана тільки в тому випадку, якщо є великі площі для розміщення. Для експериментів тонкоплівкова пластина може бути навіть поміщена на корпус ноутбука.
У термоповітряній енергетиці сонячна енергія перетворюється в енергію повітряного потоку, яка потім направляється до турбогенератора. Але в разі використання сонячних повітряних куль в повітряній кулі утворюється водяна пара. Цей ефект досягається нагріванням поверхні повітряної кулі сонячним світлом, на яке вибірково наноситься селективно-поглинаюче покриття[3]. Основною перевагою цього методу є достатня подача пари, якої вистачає для продовження роботи електростанції в погану погоду і вночі.
Принцип геліотермальної енергетики полягає в нагріванні поверхні, яка поглинає і фокусує сонячні промені, щоб продовжувати використовувати отриманого тепла. Найпростішим прикладом є нагрівання води, яку потім можна використовувати для домашнього господарства, наприклад, для подачі теплої води до батарей, заощаджуючи газ або інше паливо. У промислових масштабах енергія сонячного випромінювання, отримана цим методом, перетворюється в електричну енергію за допомогою теплових машин[3,8].
Сонячні аеростатні електростанції можуть стати одним з можливих нових напрямків, які забезпечують більш ефективне використання сонячної енергії. Основний елемент сонячних аеростатів-повітряна куля-може бути розміщена на кілька кілометрів над поверхнею землі, над хмарами, що забезпечує безперервне використання сонячної енергії протягом дня. Концепція сонячної аеростатної електростанції з паровою турбіною полягає в поглинанні сонячного випромінювання з поверхні повітряної кулі і нагріванні водяною парою всередині. В цьому випадку оболонка повітряної кулі складається з двох шарів. Сонячні промені, проходячи через зовнішній прозорий шар, нагрівають внутрішній шар оболонки з покриттям, що поглинає сонячне випромінювання. Водяна пара, що знаходиться всередині оболонки, нагрівається за рахунок теплового потоку, який зменшує вхід через оболонку, до 100-150°C. Прошарок газу (повітря) між шарами виступає в якості теплоізоляції, зменшує втрати тепла в атмосферу. Тиск пари майже дорівнює тиску зовнішнього повітря. Водяна пара подається в парову турбіну з основного парового трубопроводу, а потім конденсується в конденсаторі. Вода з конденсатора перекачується назад у внутрішню частину оболонки, де вона випаровується при контакті з перегрітою водяною парою. Ефективність такої установки може становити 25%, а завдяки запасу водяної пари всередині повітряної кулі установка може працювати вночі. Якщо повітряна куля розташована на висоті 150 м в діаметрі і на висоті 5 км, то установка може мати потужність 2 МВт [3,11].
4. Закріплення вивченого матеріалу
-До появи яких джерел електричної енергії стимулювало невідновність і обмеженість нафти, газу та вугілля? (Альтернативних)
-Який ресурс зараз у світі найбільше використовується для отримання електричної енергії? (Нафта)
-Джерела електромагнітної енергії –це... (електричні генератори, ГЕС, ТЕС, АЕС)
-Перелічіть основні види енергії? (механічна, теплова, ядерна, хімічна, електромагнітна).
-Яким словом можна об’єднати такі джерела енергії АЕС, ТЕС, ГЕС? (Традиційні)
-Які способи перетворення енергії сонця ви знаєте?( Фотовольтаїка; Термоповітряна енергетика; Геліотермальна енергетика; З використанням сонячних аеростатних електростанцій).
 
3.2. Лабораторна робота «Визначення основних характеристик сонячних панелей».

Лабораторна робота
«Експериментальне визначення характеристик сонячного елементу»
Тема: Дослідження сонячного елементу.
Мета: Виміряти основні параметри сонячного елементу.
1.Теоретичні відомості
Вчені навчилися перетворювати сонячну енергію в електричну за допомогою сонячних батарей. Сонячна батарея складається з'єднаних послідовно і паралельно фотоелементів. Кожен з цих елементів являє собою фотодіод великої площі, структура якого оптимізована для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію. Принцип роботи фотоелектричних елементів заснований на фотогальванічному ефекті. Цей ефект був відкритий Беккерелем в 1839 році. Пізніше роботи Ейнштейна в галузі фотоефекту дозволили йому пояснити це явище, за що він був удостоєний Нобелівської премії в 1905 році. Дослідження Беккереля показали, що енергія сонця може бути перетворена в електрику за допомогою напівпровідників.
Фотоелементи на основі напівпровідників складаються з двох шарів з різною провідністю. До кожного з них приєднують контакти, які використовуються для підключення до зовнішнього кола. Роль катода грає шар з n-провідністю (електронної провідності), а роль анода-p-шар (діркова провідність). Струм в n-шарі генерує рух електронів, які при попаданні світла через фотоефект починають рухатися. Відповідно, струм в р-шарі генерується рухом дірок. На перетині шарів з провідністю n і p створюється перехід n-p. Утворюється свого роду діод, який генерує різницю потенціалів, за рахунок потрапляння на нього променів світла[4].
Важливими параметрами, які використовуються для характеристики СЕ, є струм короткого замикання, напруга холостого ходу, коефіцієнт заповнення і коефіцієнт корисної дії. Ці параметри можна розрахувати з вольт-амперної характеристики СЕ.
У загальному випадку вольт-амперна характеристика (ВАХ) - це залежність струму, що протікає через електричне коло, від напруги джерела. Для сонячної батареї ця характеристика розглядається при наявності додаткових умов, які у світовій практиці були стандартизовані і застосовуються зараз при проектуванні всіх подібних систем у всьому світі. Згідно з цими стандартами ВАХ сонячних елементів визначається при потужності випромінювання сонця рівної 1000 ват на один квадратний метр. При цьому температура елементів має дорівнювати +25° С, а вимірювання повинні проводитися на широті 45°.
Струм короткого замикання (I_КЗ)- це струм, що протікає через СЕ, коли напруга дорівнює нулю.
Струм короткого замикання виникає в результаті генерації і розподілу згенерованих світлом носіїв. В ідеальному СЕ за умови помірних резистивних втрат струм короткого замикання дорівнює світловому току. Тому струм короткого замикання можна вважати максимальним струмом, який здатний створити СЕ. Струм короткого замикання залежить від ряду параметрів, описаних нижче:
- площі СЕ;
- числа фотонів (тобто потужність падаючого випромінювання);
- спектра падаючого випромінювання
- оптичних властивостей (поглинання і відображення) СЕ [12].
Напруга холостого ходу (U_XX)- це максимальна напруга, створювана СЕ, що виникає при нульовому струмі. Напруга холостого ходу дорівнює прямому зсуву відповідної до зміни напруги p-n переходу при появі світлового струму. U_XX визначається висотою потенціального бар‘єру в p-n переході і буде тим більша, чим більша ширина забороненої зони напівпровідника. Зазвичай світловий струм змінюється незначно, тому основний вплив на напругу холостого ходу надає струм насичення, який може змінюватися на порядок і залежить від швидкості рекомбінації носіїв заряду в СЕ.
Струм короткого замикання і напруга холостого ходу - це максимальні струм і напруга, які можна отримати від СЕ. Однак потужність СЕ в обох цих точках дорівнює нулю. Коефіцієнт заповнення (FF) - це параметр, який в поєднанні з напругою холостого ходу і струмом короткого замикання визначає максимальну потужність СЕ. Коефіцієнт заповнення визначається, як відношення максимальної потужності СЕ до напруги холостого ходу і струму короткого замикання. Графічно коефіцієнт заповнення являє собою міру квадратичності СЕ і дорівнює максимальній площі прямокутника, який можна вписати в вольт-амперну криву[13]
FF=(U_MP I_MP)/(U_XX I_КЗ ) ,
〖де U〗_MP- напруга в точці максимальної потужності;
I_MP- струм в точці максимальної потужності;
U_XX- напруга холостого ходу;
I_КЗ- струм короткого замикання.
Цей показник є одним із найголовніших параметрів, за допомоги якого можна вирішувати про якість та надійність фотоелектричного модуля. Адже чим більше коефіцієнт заповнення (FF), тим менше втрати потужності в сонячному елементі через внутрішній опір. Якісні сонячні елементи мають коефіцієнт заповнення досліджуваного СЕ > 0,70.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) є найпоширенішим параметром, за яким можна порівняти продуктивність двох СЕ. ККД визначається як відношення потужності, що виробляє СЕ, до потужності падаючого сонячного випромінювання. Крім власне продуктивності СЕ ККД також залежить від:
- спектру та інтенсивності падаючого сонячного випромінювання;
- кута нахилу панелі відповідно до вектора нахилу падіння світла (≈ 90°±15 °);
- погодних умов (день чи ніч, зима чи літо, ясно чи похмуро);
- температури;
- відсутності тіні;
- стану поверхні панелі. [13]
У сучасних сонячних панелях ККД є в інтервалі від 12 до 25%. Порахувати коефіцієнт корисної дії можна за допомоги формули:
η=(U_XX I_КЗ FF)/P_ПВ 100%,
〖 де P〗_(ПВ-) потужність падаючого випромінювання;
U_XX - напруга холостого ходу;
〖 I〗_КЗ - струм короткого замикання;
FF - Коефіцієнт заповнення.
P_пв – потужність падаючого випромінювання визначається за формулою:
P_пв = Е*S, Вт,
Де S- сумарна площа поверхні сонячних елементів
Е [Вт/м2] - інтенсивність падаючого світла – сумарна (пряма плюс розсіяна) сонячна радіація, яка вимірюється за допомогою спеціального приладу – піранометра.

2. Опис установки.
Лабораторна установка для дослідження роботи СЕ наведена на (рис.1.) Установка складається з люксметра -1, кутоміра -2, сонячного елемента -3, магазину опорів -4, аналогово-цифрового перетворювача -5, світлодіода -6. Для дослідження основних робочих параметрів сонячних елементів і батарей використовується електрична схема, наведена на (рис. 2.) Електрична схема складається з 1-сонячного елемента, 2-світлодіода, 3-вольтметра, 4-амперметра, 5-магазину опорів. Конструкція і точки під’єднання панелі сонячного елементу згідно електричної схеми.

3.Послідовність виконання роботи.
Зібрати установку згідно електричній схемі рисунок 2.
Увійти до програмного забезпечення та підключити датчики амперметр та вольтметр( за потреби відградеювати датчики).
Побудувати ВАХ сонячного елемента.
За допомоги ВАХ визначити основні параметри для характеристики сонячного елемента.
4.Контрольні запитання.
Вольт-амперна характеристика це?
Прокоментуйту основні характеристики сонячного елемента.

 

                           

[13:38:26]  Bi 
1   2   3

скачати

© Усі права захищені
написати до нас